Tiểu luận quang tử cảm biến sợi quang

Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT MỤC LỤC GIỚI THIỆU CHUNG NỘI DUNG I Cảm biến sợi quang 1.1 Khái niệm sợi quang 1.2 Cảm biến sợi quang: 1.3 Nguyên tắc cấu tạo cảm biến sợi quang 1.4 Phân loại cảm biến sợi quang: II Các loại cảm biến sợi quang: 2.1 Cảm biến sợi quang điều biến cường độ quang (Intensity Modulated Fiber Optic Sensors - IMFSs): 2.1.1 Cảm biến sợi quang vi uốn cong (Fiber optic sensor microbend FSMB) 2.1.2 Cảm biến suy giảm sóng(Evanescent Wave Fiber Optic Sensor EWFOS) 2.1.3 Cảm biến sợi quang phản xạ (Reflection Fiber Optic Sensor - RFOS) 2.1.4 Cảm biến sợi quang truyền dẫn (Transmission Fiber Optic Sensor TFOS) 2.1.5 Cảm biến sợi quang sai khác cường độ (Differential Intensity Fiber optic sensors - DIFOSs) 2.2 Cảm biến sợi quang điều biến pha ( Phase Modulator Fiber Optic Sensor PMFOSs) 10 2.2.1 Loại hai chùm tia giao thoa(Two beam interferometer): 10 2.2.2 Loại cảm biến đa chùm tia giao thoa 11 2.3 Cảm biến sợi quang điều biến bước sóng (Wavelength Modulated Fiber Optic Sensor - WMFOS) 13 2.3.1 Cảm biến sợi quang dựa tượng huỳnh quang 14 2.3.2 Cảm biến vật đen tuyệt đối 14 2.3.3 Cảm biến cách tử Bragg: 14 III Xu hướng tương lai 18 KẾT LUẬN 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 Học viên: Kiều Quang Vũ Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT GIỚI THIỆU CHUNG Với phát minh laser vào năm 1960 đưa đến ý tưởng hệ thống quang học truyền tải liệu Người ta nhận thấy hệ thống laser gửi số lượng liệu lớn nhiều so với sóng vi ba hệ thống điện tử khác Các nhà nghiên cứu tiến hành nhiều thí nghiệm khác truyền tải thông tin quang môi trường khác đến kết luận môi trường truyền dẫn tín hiệu ánh sáng tốt loại sợi thủy tinh Tuy nhiên ban đầu sợi quang không ứng dụng truyền tải thông tin độ suy hao vô lớn (khoảng 1000 dB/km) Đến năm 1969, số nhà khoa học tạp chất vật liệu sợi quang nguyên nhân gây mát tín hiệu, cách loại bỏ tạp chất người ta tạo sợi quang học có độ suy hao thấp Năm 1970, Corning Glass Works chế tạo sợi đa mode với suy hao 20 dB/km đến năm 1972 chế tạo thành công sợi quang đa mode lõi silica với suy hao dB/km Cùng với phát triển vượt bậc công nghệ chế tạo sợi quang, tính ưu việt đặc tính sợi quang nhà thiết kế kết hợp sản phẩm thông tin sợi quang với thiết bị quang điện tử để tạo cảm biến có tính ưu việt cảm biến sợi quang (Fiber optic sensor) Loại cảm biến không sử dụng rộng rãi lĩnh vực thông tin cáp quang mà sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học,…nhằm giám sát loạt thông số môi trường vị trí, độ rung, độ biến dạng, nhiệt độ, độ ẩm, độ nhớt, hóa chất, áp suất, dòng điện, điện trường số yếu tố môi trường khác… Trong tiểu luận trình bày khái quát hóa số loại cảm biến sợi quang: - Cảm biến sợi quang - Một số loại cảm biến sợi quang - Một số ứng dụng cảm biến sợi quang thực tế Học viên: Kiều Quang Vũ Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT NỘI DUNG I Cảm biến sợi quang Trước tìm hiểu cảm biến sợi quang ta tìm hiểu số thông tin sợi quang: 1.1 Khái niệm sợi quang Một sợi quang gồm ba phần: lõi (core), lớp vỏ (cladding) lớp phủ (coating) Cấu trúc thể hình Lõi Lớp phủ Lớp vỏ Sợi bảo vệ Võ bọc dây cáp Hình Cấu trúc sợi quang Lõi hình trụ làm vật liệu điện môi thường làm thủy tinh plastic có chiết suất n1 Ánh sáng truyền chủ yếu dọc theo lõi sợi Lớp vỏ làm vật liệu điện môi có chiết suất n2 Loại vật liệu làm vỏ thường thủy tinh plastic có chiết suất nhỏ so chiết suất vật liệu làm lõi Chúng có chức giảm tổn hao ánh sáng từ lõi bên sợi quang, giảm tổn hao tán xạ bề mặt lõi, bảo vệ sợi khỏi chất gây ô nhiễm bề mặt tăng độ bền học cho sợi quang Các lớp phủ làm từ vật liệu plastic có tính đàn hồi, nhiệm vụ bảo vệ sợi quang khỏi bị hư hỏng vật lý, ngăn ngừa trầy xước Nguyên tắc truyền ánh sáng dọc theo sợi quang dựa "phản xạ toàn phần" Khi góc tới lớn góc giới hạn ánh sáng phản xạ toàn phần lớp võ trở lại môi trường thủy tinh (xem Hình 2) Góc tới hạn xác định cách sử dụng định luật Snell Phản xạ toàn phần Chùm sáng tới Lõi (n1) Lớp võ (n2) Hình 2: Phản xạ toàn phần sợi quang Sợi quang phân loại theo nhiều cách khác theo kích thước lõi vỏ, theo chủng loại vật liệu, theo biến thiên chiết suất lõi sợi theo đặc tính truyền dẫn có sợi quang đơn mode sợi quang đa mode Nếu phân loại theo phân bố chiết suất lõi ta có: loại sợi quang SI (Step index) có chiết suất lõi vỏ khác rõ rệt theo hình bậc thang, loại sợi quang GI (Gradient index) có Học viên: Kiều Quang Vũ Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT suất giảm dần từ tâm lõi phía vỏ sợi quang Sự khác loại sợi quang mô tả hình Buffer Cladding n1 n2 Core Đa mode Đơn mode (a) Loại sợi Mặt cắt ngang Chiết suất Đường tia sáng n(r) Multimode Gradient Index (MMGI) Single mode Step Index (SMSI) Multimode Step Index (MMSI) (b) Hình Các loại sợi quang khác 1.2 Cảm biến sợi quang: Như biết cảm biến định nghĩa thiết bị dùng để biến đổi đại lượng vật lý đại lượng không điện cần đo thành đại lượng điện đo dòng điện, điện thế, … Với phát triển khoa học kỉ thuật công nghệ đời nhiều loại cảm biến khác Trong tiểu luận ta nghiên tìm hiểu cảm biến sợi quang Cảm biến sợi quang thực chất cảm biến sử dụng sợi quang phần tử cảm biến (các cảm biến nội tại), phương tiện truyền tín hiệu cảm biến xa đến xử lí (cảm biến ngoại sinh) Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà cảm biến sợi quang có hay nhiều sợi quang ghép với cung có kích thước khác Cảm biến sợi quang có nhiều lợi cảm biến điện tử thông thường chúng có ưu điểm sau: Kích thước nhỏ gọn, nhẹ, tích hợp vào loạt cấu trúc cách dễ dàn bao gồm vật liệu composite, không dẫn điện, không bị nhiễu sóng điện từ nhiễu tần số radio, có khả chống chịu tốt với môi trường khắc nghiệt, độ nhạy cao, có khả hình thành mạng lưới cảm biến, có khả cảm biến xa tốt chức cảm biến đa dạng: áp lực, ăn mòn, nhiệt độ tín hiệu âm thanh… Học viên: Kiều Quang Vũ Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT 1.3 Nguyên tắc cấu tạo cảm biến sợi quang Cấu trúc chung hệ thống cảm biến sợi quang học thể hình Nó bao gồm + Một nguồn quang (Optical source): Laser, LED, Laser diode … + Sợi quang (optic fiber) + Cảm biến phần tử điều biến (Sensor or modolator element): gồm chuyển đổi (transducer) vùng đo (measurand) phận có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu thu vào + Đầu dò quang (Detecor optic) thiết bị điện tử xử lý (electronic processing) máy dao động kí, máy phân tích phổ quang học Hình Các thành phần hệ thống cảm biến sợi quang 1.4 Phân loại cảm biến sợi quang: Cảm biến sợi quang có phân loại theo ba cách sau: - Theo vị trí cảm biến chia cảm biến sợi quang thành hai loại: + Cảm biến sợi quang nội (hình 5.a): sợi quang sử dụng nhằm truyền dẫn ánh sáng từ nguồn đến điều biến ánh sáng tác động lên môi trường truyền tín hiệu sáng đến đầu Hay nói cách khác sợi quang hoạt động phương tiện truyền ánh sáng + Cảm biến sợi quang ngoại sinh (hình 5.b): Sợi quang sử dụng chuyển đổi tín hiệu môi trường có biến đổi chùm sáng truyền sợi quang có tác nhân bên tác động lên cuộn dây làm biến dạng Điều biến ánh sáng Sợi vào Sợi quang chuyển đổi Sợi Tín hiệu môi trường Nguồn sáng Đầu dò ánh sáng a) Cảm biến sợi quang Sợi vào Sợi Tín hiệu môi trường Nguồn sáng Đầu dò ánh sáng b) Cảm biến sợi quang Hình 5: Cảm biến sợi quang bên bên - Theo nguyên tắc hoạt động ta có loại cảm biến điều biến cảm biến giải điều biến Đây cảm biến sợi quang ghi nhận cường độ, pha, tần số phân cực ánh sáng Tất thông số bị thay đổi nhiễu loạn Học viên: Kiều Quang Vũ Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT bên Như vậy, cách phát thay đổi thông số này, nhiễu loạn bên ghi nhận - Theo ứng dụng chia thành: + Cảm biến vật lý: sử dụng để đo tính chất vật lý như: nhiệt độ, áp suất, độ biến dạng, … + Cảm biến hóa học: sử dụng đo độ pH, phân tích khí, nghiên cứu phổ,… + Cảm biến sinh - y khoa (Bio - medical): sử dụng ứng dụng y sinh học đo lưu lượng máu, hàm lượng glucose, nội soi, … II Các loại cảm biến sợi quang: 2.1 Cảm biến sợi quang điều biến cường độ quang (Intensity Modulated Fiber Optic Sensors - IMFSs): Cảm biến IMFSs hoạt động theo nguyên tắc sự suy giảm cường độ quang phản xạ, truyền dẫn, biến dạng sợi quang Loại cảm biến IMFSs có nhiều ưu điểm như: chế tạo đơn giản, chi phí thấp, có khả ghép theo kênh,… Tuy nhiên chúng có số nhược điểm là: phép đo có độ xác không cao có thay đổi cường độ nguồn sáng dẫn đến kết bị sai lệch để khắc phục nhược điểm cần sử dụng hệ thống tham chiếu Loại cảm biến IMFSs dựa vào chế làm suy giảm cường độ sáng chia thành loại sau: 2.1.1 Cảm biến sợi quang vi uốn cong (Fiber optic sensor microbend FSMB) Cảm biến FSMB loại cảm biến hoạt động theo nguyên tắc đo suy giảm cường độ quang qua sợi quang có uốn cong học nhỏ cách tuần hoàn sợi quang Sơ đồ cấu tạo đơn giản loại cảm biến FSMB mô tả hình gồm: + Nguồn sáng: laser hoạc LED + Sợi quang đa mode + Bộ phân gây biến dạng sợi quang hai rãnh + Thiết bị đo cường độ sáng: chuyển đổi tính hiệu quang thành tín hiệu điện, khuếch đại,… Bộ phân gây biến dạng sợi quang Nguồn sáng Thiết bi đo cường độ sáng Sợi quang Hình 6: Sơ đồ cấu tạo đơn giản cảm biến sợi quang nội vi uốn cong * Nguyên tắc hoạt động: Học viên: Kiều Quang Vũ Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT Nếu đưa ánh sáng vào sợi quang mà chưa có tác động từ bên nên sợi quang chưa bị uống cong nên ánh sáng truyền từ nguồn đến đầu dò không bị mát hình 7a Chưa tác động Ánh sáng vào Ánh sáng Sợi quang Cao Hình 7a Khi chưa có áp lực từ bên Khi tác động áp lực lên phía dịch chuyển xuống làm cho sợi quang bị uống cong, bán kính uống cong vượt khỏi giới hạn cong cho phép làm cho tia sáng bên lõi bị rò vỏ làm giảm cường độ chùm sáng Kết suy giảm đầu dò đo đạt đầu (Hình 7.b) Lực tác dụng Ánh sáng Ánh sáng vào Thấp Hình 7.b: Sự suy giảm cường độ tín hiệu đầu có áp lực 2.1.2 Cảm biến suy giảm sóng(Evanescent Wave Fiber Optic Sensor EWFOS) Một loại cảm biến khác dựa vào cường độ cảm biến EWFOS Loại cảm biến ghi nhận suy hao sóng bị hấp thụ hóa chất Cảm biến hóa học thường sử dụng theo nguyên tắc Cấu tạo cảm biến EWFOS mô tả hình gồm: nguồn laser, thấu kính hội tụ chùm tia đến sợi quang, sợi quang loại sợi đa mode đặt buồng dùng hóa chất qua, sợi quang có phần bị bóc võ mục đích để hóa chất vào buồng hấp thu sóng ánh sáng làm suy giảm sóng sóng ghi nhận phận đầu dò Đầu vào Vùng cảm biến Thấu kính Đầu dò Laser Sợi đa mode Đầu Hình 7: Cấu tạo đơn giản cảm biến EWFOS Như đề cập nguyên lý làm việc loại cảm biến dựa vào suy giảm sóng ánh sáng hấp thụ hóa chất Để làm điều sợi quang cần phải tách phần lớp vỏ Để cảm biến hoạt động người ta sử dụng nguồn Học viên: Kiều Quang Vũ Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT ánh sáng có bước sóng hấp thụ hoá chất Khi ánh sáng qua sợi quang đến vùng có lớp võ bị tách bị hấp thụ hóa chất khiến cho sóng ánh sáng bị giả cường độ, giảm cường độ tùy thuộc vào nồng độ hóa chất đưa vào Kết đo thay đổi cường độ ánh sáng theo nồng độ hoá chất đầu dò Chúng ta thay vật liệu làm vỏ bọc sợi quang chất nhộm hữu mà không cần tách vỏ bọc sợi quang thực phép đo cách tương tự 2.1.3 Cảm biến sợi quang phản xạ (Reflection Fiber Optic Sensor - RFOS) Cấu tạo loại cảm biến RFOS sau hình 8: + Nguồn sáng: băng rộng thường sử dụng laser diode (LD) + Sợi quang: đa mode + Bộ ghép nối (3dB coupler) có nhiệm vụ chuyển tải tín hiệu tới tín hiệu phản xạ đến mo - đun phát (Detecting Module): + Detecting Module: có nhiệm vụ xử lí tín hiệu thu Bộ ghép: 3dB LD Sợi quang Gương phản xạ Buồng lọc Bộ KĐ thức cấp Bộ chỉnh lưu Bộ lọc chọn lựa Bộ khuếch đai Dsp Unit Mo - đun phát Hình 8: Sơ đồ cấu tạo đơn giản cảm biến RFOS * Nguyên tắc hoạt động: Sử dụng nguồn sáng laser diode băng rộng truyền vào ghép dB, ánh sáng truyền vào sợi quang có công suất tới Pin sau phản xạ gương truyền ngược trở lại trình truyền có suy giảm cường độ chùm phản xạ công suất lúc Pout Chùm phản xạ chùm tới đưa đến dò phát để cường độ Công suất Pout tỉ lệ với khoảng cách từ đầu sợi quang đến gương phản xạ (hình 9) Gương phản xạ chuyển động Hình Mô tả trình xảy sợi quang gương phản xạ Học viên: Kiều Quang Vũ Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT 2.1.4 Cảm biến sợi quang truyền dẫn (Transmission Fiber Optic Sensor TFOS) Loại cảm biến có cấu tạo mô tả hình 10 Gồm hai sợi quang đặt cách khoảng L Nguyên lý hoạt động loại cảm biến giống với loại cảm biến RFOS nêu mục 2.1.3 Hình 10: Một mô hình đơn giản cảm biến TFOS Loại cảm biến TFOS thường dùng để đo khoảng cách từ vật đến cảm biến, đo biến dạng bề mặt Hạn chế loại cảm biến tín hiệu đối chiếu có thay đổi cường độ chùm sáng dễ đưa đến kết đo đạt không xác 2.1.5 Cảm biến sợi quang sai khác cường độ (Differential Intensity Fiber optic sensors - DIFOSs) Sơ đồ cấu tạo loại cảm biến mô tả hình 11 Nhánh cảm biến Bộ ghép Nguồn sáng Nhánh đối chiếu Hình 11: Sơ đồ khối đơn giản cảm biến DIFOSs Các phận cảm biến là: + Nguồn phổ rộng: Laser diode + Bộ ghép có nhiệm vụ chia cường độ sáng qua hai nhánh + Nhánh cảm biến + Nhánh đối chiếu * Nguyên tắc hoạt động: Có chế hoạt động dựa loại cảm biến gần giống với cảm biến RFOS nêu mục 2.1.3 khác có nhánh đối chiếu Công suất ghi nhận Pout1 - Pout2 ∝ L1 - L2 Học viên: Kiều Quang Vũ Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT 2.2 Cảm biến sợi quang điều biến pha ( Phase Modulator Fiber Optic Sensor - PMFOSs) Cảm biến PMFOSs hoạt động theo nguyên lý ghi nhận thay đổi pha ánh sáng trình giao thoa ánh sáng để phát vật thể cần đo Bộ phận cảm biến PMFOSs giao thoa kế chế tạo với sợi quang Ưu điểm loại cảm biến nhạy cảm biến cường độ Căn vào giao thoa kế số chùm tia giao thoa người ta chia cảm biến thành hai loại: 2.2.1 Loại hai chùm tia giao thoa(Two beam interferometer): Trong loại cảm biến chia làm hai loại khác cảm biến sử dụng giáo thoa kế Michelson cảm biến sử dụng Mach-Zehnder * Giao thoa kế Michelson Cấu tạo cảm biến sở dụng giao thoa kế Michelson mô tả hình 12 Hình 12: Cảm biến sử dụng giao thoa kế Michelson + Nguồn sáng Laser diode phải nguồn kết hợp + Bộ chia ánh sáng: 50:50 + Hai gương phản xạ R1 R2 + Hai sợi quang có chiều dài L1 L2 Hoạt động: ánh sáng từ nguồn sáng LD tới chia (2×2 coupler) tách thành hai chùm theo hai sợi quang cảm biến L1 sợi quang đối chiếu L2 đến gương phản xạ R1 R2 Tại hai gương R1 R2 ánh sáng bị phản xạ ngược trở lại truyền ngược lại chia sau truyền dẫn đến đầu dò (Detector) để ghi nhân thay đổi cường độ sáng theo độ lệch pha ánh sáng tới ánh sáng phản xạ Cường độ ánh sáng thu theo công thức: 𝐼0 √𝑅1 𝑅2 𝐼 = (𝑅1 + 𝑅2 )[1 + cos[2𝑘(𝐿1 − 𝐿2 )]] 𝑅1 + 𝑅2 Từ sơ đồ ta thấy ánh sáng qua hai lần sợi cảm biến sợi đối chiếu nên lệch pha quang đơn vị chiều dài sợi tăng gấp đôi nên giao thoa kế Michelson có độ nhạy cao Và cảm biến sử dụng giao thoa kế Michelson cảm biến làm việc với sợi quang module nguồn dò cảm biến * Giao thoa kế Mach-Zehnder Cấu tạo cảm biến sợi quang sử dụng giao thoa kế Mach - Zehnder hình 13 + Nguồn sáng + Hai chia: 2×2 Coupler Coupler Học viên: Kiều Quang Vũ 10 Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT + Hai sợi quang L1 L2 + Đầu dò (detector) đo cường độ hai sợi L1 L2 2×2 Coupler Nguồn L1 Coupler I1 Detector L2 I2 Hình 13: Sơ đồ khối đơn giản cảm biến sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder Nguyên lí hoạt động loại cảm biến gần giống với nguyên lý làm việc loại giao thoa kế sử dụng giao thoa kế Michelson khác biệt đo đồng thời cường độ hai sợi L1 L2 Cường độ đầu hai sợi I1 I2 xác định theo công thức: 𝐼0 𝐼1 = (1 − cos[𝑘(𝐿1 − 𝐿2 )]) 𝐼0 𝐼1 = (1 + cos[𝑘(𝐿1 − 𝐿2 )]) Loại cảm biến có ưu điểm làm giảm ảnh hưởng hồi đáp không mong muốn (không gương) giảm nhiễu biến động cường độ Loại cảm biến hai chùm tia giao thoa sử dụng đo: độ biến dạng, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, dòng/ điện áp,… cụ thể ứng dụng hệ thống Sonar chuống tàu ngầm, cảm biến âm địa chấn, đo biến dạng công trình xây dựng,… 2.2.2 Loại cảm biến đa chùm tia giao thoa Loại cảm biến đa chùm tia gồm có cảm biến giao thoa Fabry-Perot cảm biến giao thoa vòng Trong phần đề cập đến cảm Giao thoa kế FabryPerot hình 14: LD 2×2 Coupler Sensor Dectector Hình 14.Sơ đồ khối đơn giản cảm biến Fabry-Perot (FFPI) + Nguồn sáng thường nguồn kết hợp, ghép nối cho phép chia theo tỉ lệ 50:50, cảm biến (sensor) có hai loại cảm biến nội (Intrinsic) mô tả hình 14.a cảm biến ngoại (Extrinsic) hình 14.b Chính dựa cách thức cảm biến chia thành hai loại cảm biến IFPI cảm biến EFPI Học viên: Kiều Quang Vũ 11 Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT Hình 14.a Sơ đồ cấu tạo cảm biến nội (IFPI) Hình 14.a Sơ đồ cấu tạo cảm biến ngoại (EFPI) Trong cảm biến EFPI, khoang Fabry- Perot đặt bên sợi quang Sợi quang truyền ánh sáng tới cảm biến EFPI sau nhận lại tín hiệu ánh sáng phản xạ từ cảm biến Khoang Fabry- Perot chế tạo vật liệu thủy tinh có dạng ống Người ta đưa sợi quang tín hiệu vào đầu khoang FabryPerot đầu lại Khoang Fabry- Perot người ta đưa vào sợi tín hiệu Khoảng cách hai sợi kiểm soát cách sử dụng thiết bị định vị quang học có độ xác cao trước tiến hành nối nhiệt Như biết độ nhạy biến dạng xác định chiều dài đo, độ nhạy nhiệt độ xác định chiều dài khoang, sợi ống có hệ số giãn nở nhiệt Do đó, cách làm cho chiều dài đo nhỏ nhiều so với chiều dài khoang, độ nhạy cảm biến nhiệt độ trở nhỏ nhiều so với độ nhạy biến dạng Đối với cảm biến IFPI, gương chế tạo sợi quang dạng mỏng Loại mỏng thường làm từ vật liệu TiO2 Để tạo hai gương người ta sử dụng phương pháp sau: lắng đọng chân không, phún xạ, bốc bay chùm tia điện tử Vùng không gian hai gương sợi quang vừa đóng vai trò cảm biến vừa ống dẫn sóng Trong trường hợp này, ánh sáng không rời khỏi sợi * Ứng dụng cảm biến giao thoa Fabry- Perot: Được sử dụng rộng rãi việc đo đạt thông số áp suất âm, dao động, độ biến dạng, chuyển dịch Học viên: Kiều Quang Vũ 12 Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT Hình 15 Cảm biến áp lực biến dạng hãng Fiso Canada Hình 17: Cảm biến biến dạng: Hình 18: Cảm biến gia tốc EFPI: 2.3 Cảm biến sợi quang điều biến bước sóng (Wavelength Modulated Fiber Optic Sensor - WMFOS) Cảm biến điều biến bước sóng sử dụng thay đổi bước sóng ánh sáng để dò tìm Cảm biến huỳnh quang, cảm biến vật màu đen cảm biến cách tử Bragg ví dụ cảm biến điều biến bước sóng Loại cảm điều biến bước sóng ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực: sở hạ tầng dân sự, tàu chiến, máy bay/không gian, dầu khí, giám sát đường ống, điện lực giao thông vận tải, hệ thống đánh giá thiệt hại Riêng lĩnh vực dân dụng cảm biến điều biến ứng dụng đa dạng như: Giám sát cấu trúc cầu đường, Học viên: Kiều Quang Vũ 13 Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT giám sát lưu lượng giao thông, theo dõi ghi nhận động đất, ứng dụng kỹ thuật địa chất, theo dõi ăn mòn cấu trúc, cảm biến sức gió gió, ứng y học Trong phân giới thiệu sơ qua hai loại cảm biến huỳnh quang, vật đen tuyệt đối trọng tâm cảm biến sợi quang cách tử Brag (FBGSs) Sau ta tìm hiểu loại cảm biến cụ thể 2.3.1 Cảm biến sợi quang dựa tượng huỳnh quang Loại cảm sử dụng rộng rãi cho lĩnh vực y tế, cảm biến hóa học phép đo tham số vật lý nhiệt độ, độ nhớt độ ẩm Sơ đồ cấu tạo đơn giản cảm biến huỳnh mô tả hình 19 Hình 19: Cảm biến sợi quang phát huỳnh quang Trong trường hợp cảm biến đầu cuối, ánh sáng truyền xuống sợi đến đầu dò vật liệu phát huỳnh quang Các kết tín hiệu huỳnh quang thu sợi giống hướng quay trở lại đầu giải điều biến 2.3.2 Cảm biến vật đen tuyệt đối Sơ đồ cấu tạo cảm biến vật đen tuyệt đối mô tả hình 20 Một buồng tối đặt phần cuối sợi quang Khi nhiệt độ khoang tăng bắt đầu phát sáng hoạt động nguồn ánh sáng Máy dò kết hợp với lọc dải hẹp sử dụng để xác định xem thông tin đường cong vật đen tuyệt Đây loại cảm biến thương mại hóa thành công sử dụng để đo nhiệt độ khoảng vài độ C thuộc trường RF mạnh Bộ lọc dải hẹp Thấu kính Buồng tối Đầu dò Hình 20: Cảm biến sợi quang vật đen tuyệt đối 2.3.3 Cảm biến cách tử Bragg: Loại cảm biến điều biến bước sóng sử dụng rộng rãi cảm biến sợi quang cách tử Bragg a) Giới thiệu cách tử Bragg sợi quang (FBG) Học viên: Kiều Quang Vũ 14 Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang λB tới GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT λB truyền λB phản xạ Khoảng cách Λ=λB/neff Hình 21: Cấu tạo chiết suất FBG Cách tử Bragg sợi quang thực chất xáo trộn cấu trúc số chiết suất theo dạng chu kì dọc theo hướng truyền sóng sợi quang mô tả hình 21 Chiết suất FBG tính theo phương trình sau : 2π n( x, y, z )  n( x, y, z )  δn( x, y, z )cos( z ) (1) Λ Trong n( x, y, z ) chiết suất trung bình lõi sợi quang δn( x, y, z) độ biến thiên chiết suất Λ chu kì FBG Một lượng nhỏ ánh sáng phản xạ điểm nơi chiết suất FBG thay đổi Sự phản xạ hoàn toàn FBG xảy bước sóng riêng xuất mode ghép mạnh Đây gọi điều kiện Bragg mô tả phương trình (1), bước sóng mà có phản xạ hoàn toàn gọi bước sóng Bragg λB Chỉ có bước sóng thoả mãn điều kiện Bragg chịu ảnh hưởng cách tử phản xạ cách mạnh mẽ FBG suốt bước sóng nằm vùng bước sóng Bragg Bước sóng Bragg tính sau: λB = neffΛ (2) Trong neff số khúc xạ ảnh hưởng Λ chu kì FBG Đây điều kiện xảy phản xạ Bragg Từ phương trình (2) thấy bước sóng Bragg hoàn toàn phụ thuộc vào số khúc xạ chu kì cách tử Các cách tử dài với số khúc xạ thay đổi không đáng kể có đỉnh phản xạ nhọn băng tần phản xạ nhỏ Hệ số suy hao: Học viên: Kiều Quang Vũ 15 Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT Gọi Pin công suất tín hiệu tới cách tử, Prefl công suất tín hiệu qua cách tử Ta có hệ số suy hao là:   10log10 Pin (dB) prefl Khi qua FBG bước sóng bị phản xạ bước sóng khác truyền qua phổ tín hiệu truyền qua FB bước sóng Bragg bị giảm b) Nguyên lý hoạt động Xét hai sóng truyền theo hai hướng ngược chiều với số truyền dẫn  1 Năng lượng ghép từ sóng sang sóng khác chúng thoả mãn điều kiện cân pha Bragg:   1  2 (3)  Trong  chu kỳ cách tử Xét sóng ánh sáng với số lan truyền  truyền từ trái qua phải Năng lượng từ sóng ghép vào sóng tán xạ chuyển dịch theo hướng ngược lại bước sóng thoả mãn điều kiện pha Bragg   (  )  2  Ta có   2 neff 0 2  (4) , λ0 bước sóng sóng đến, neff số khúc xạ hiệu dụng sợi quang (vật làm cách tử Bragg), sóng phản xạ với điều kiện là: 0  2neff  (5) Bước sóng λ0 gọi bước sóng Bragg Trong thực tế, hiệu suất phản xạ giảm bước sóng sóng đến không ăn khớp với bước sóng Bragg Do có vài bước sóng truyền vào cách tử Bragg bước sóng Bragg phản xạ bước sóng khác truyền qua mà không bị tổn hao tổn hao Sự hoạt động cách tử hiểu cách tham khảo hình 1.2, hình vẽ cho thấy thay đổi tuần hoàn số khúc xạ Sóng đến phản xạ từ chu kỳ cách tử Các phản xạ cộng pha chiều dài đường sóng λ0 chu kỳ nửa bước sóng đến λ0 Điều tương đương với neff   0 (điều kiện Bragg) Học viên: Kiều Quang Vũ 16 Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT Λ Hình 22: Nguyên lý hoạt động cách tử Bragg c) Một số loại cảm biến sử dụng cách tử Bragg sơi quang (FBGSs) * Cảm biến FBGS đo biến dạng nhiệt độ: Hình 23: Sơ đồ khối cấu tạo FBGS Cảm biến độ biến dạng - Cả ΔΛ Δn thay đổi - Độ nhạy: 1,2pm/με Cảm biến đo nhiệt độ - Độ nhạy: 10pm/0C - Dùng tốt môi trường khắc nghiệt cao * Cảm biến FBG giải điều chế sử dụng máy phân tích phổ, máy scan, … Máy phân tích phổ Máy scan * Cảm biến FBG đa kênh: Hình 24 Sơ đồ khối cảm biến FGB đa kênh Học viên: Kiều Quang Vũ 17 Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT Ưu điểm có khả cảm biến đa với hệ thống quang nhất, có khả đô miền bước sóng tần số III Xu hướng tương lai + Chế tạo ống dẫn sóng đặc biệt, chẳng hạn sợi tinh thể quang tử, cho phép cảm biến nhiều nhiều hệ cảm biến + Với việc cải thiện công nghệ vi chế tạo tiếp tục cải thiện hiệu suất cảm biến, chức năng, độ tin cậy khả hoạt động môi trường khắc nghiệt + Công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến kết hợp với công nghệ mạng cho phép tạo mạng cảm biến sợi quang mật độ cao + Với tính ưu việt nhỏ gọn, bị nhiễu loại điện từ trường, hoạt động tốt nhiều điều kiện môi trường khác nhau, đa dạng chủng loại, có độ nhạy cao, phù hợp với phát triển công nghệ nên cảm biến sợi quang thay dần cho loại cảm biến truyền thống Học viên: Kiều Quang Vũ 18 Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT KẾT LUẬN Qua trình tìm hiểu cảm biến sợi quang nhận thấy loại cảm biến có nhiều ưu tương lại Loại cảm biến ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhau: lĩnh vực dân sự, quân đội, phi quyền không gian, lĩnh vực nghiên cứu khoa học tự nhiên, … Trong trình tìm hiểu cảm biến sợi quang chủ yếu tham khảo tài liệu nước nên có chỗ sai sót mong thầy bạn học viên đóng góp ý kiến để báo cáo tiểu luận ngày hoàn thiện Học viên: Kiều Quang Vũ 19 Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Lê Văn Tuất, Tài liệu quang tử, Đại học khoa học Huế [2] Phan Quốc Phô Nguyễn Đức Chiến, Giáo trình cảm biến, Nhà xuất khoa học kĩ thuật [3] Wekipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_optic_sensor [4] Miao Yu, Fiber Optic Sensor Technology, Department of Mechanical Engineering University of Maryland, USA, Feb - 2008 [5] Jaehee Park, Reflection-Type Optical-Fiber Intrusion Sensor Based on Speckle Detection, Journal of the Korean Physical Society, Vol 50, No 2, February 2007, pp 529∼531 [6] P Suresh Kumar - CPG Vallabhan…,A fiber optic evanescent wave sensor used for the detection of trace nitrites in water, Journal of Optics A: Pure and applied optics (2002) 247 ~ 250 Học viên: Kiều Quang Vũ 20